Giáo trình Điều khiển số máy công cụ

kể. - Các máy và các trung tâm gia công CNC cho phép tập trung nguyên công cao độ. Trên một máy có thể gia công nhiều bề mặt, bằng các ph−ơng pháp công nghệ khác nhau; có thể gia công thô và tinh trên cùng một máy, trong cùng một lần gá, bằng nhiều dao, nhiều trục đồng thời. Điều đó giảm bớt việc vận chuyển, gá đặt nên không những làm tăng năng suất mà còn giảm sai số gia công. Ng−ời ta đã tổng kết rằng, thời gian trực tiếp gia công (Tc) trên máy thông th−ờng chỉ chiếm không quá 10% trong tổng số thời gian gia công (T). Trên máy CNC thời gian đó lên tới 70%. Năng suất gia công trên máy CNC hầu nh− không phụ thuộc vào tay nghề và trạng thái tâm, sinh lý của công nhân. Chất l−ợng gia công cao Chất l−ợng gia công (độ chính xác kích th−ớc, hình dáng và chất l−ợng bề mặt gia công) suy đến cùng phụ thuộc 3 yếu tố: nguyên vật liệu, thiết bị và công nhân. Yếu tố nguyên vật liệu giả thiết là không thay đổi. So sánh về thiết bị thì máy CNC đảm bảo độ chính xác cao và đồng đều nhờ hệ thống điều khiển - đo l−ờng rất chính xác (cỡ 0,01 - 0,001 mm), hệ thống cơ khí cứng vững và ổn định, quá trình cắt đ−ợc điều khiển hoàn toàn nhờ ch−ơng trình nên loại trừ đ−ợc các sai số do chế tạo và hao mòn các cữ, d−ỡng. Các máy CNC hiện đại đều có khả năng bù kích th−ớc và mòn dao, bù khe hở và biến dạng nhiệt cơ khí. Trên máy thông th−ờng, tay nghề và tình trạng tâm, sinh lý của ng−ời thợ ảnh h−ởng rất lớn đến chất l−ợng gia công. Khi gia công trên máy CNC, công nhân chỉ có nhiệm vụ nạp ch−ơng trình, giám sát việc gá phôi, thay dao và tình trạng làm việc của máy. Vì vậy tâm sinh lý, tay nghề của công nhân hoàn toàn không ảnh h−ởng đến chất l−ợng gia công. Trong số các thông số kỹ thuật của máy CNC, có 2 thông số ảnh h−ởng trực tiếp đến chất l−ợng gia công. Đó là độ chính xác định vị (Accuracy hay Positioning Accuracy) và độ chính xác lặp lại (Repeatability). Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 28 Độ chính xác định vị (ĐCXĐV) liên quan tới thuật ngữ độ phân giải điều khiển (Control Resolution). Độ phân giải điều khiển (ĐPGĐK) nói lên khả năng của MCU, có thể chia khoảng dịch chuyển của bàn máy thành những đoạn nhỏ mà bộ điều khiển có thể nhận biết đ−ợc. Nói cách khác, đó là khoảng dịch chuyển nhỏ nhất của bàn máy mà bộ điều khiển có thể điều khiển đ−ợc. Nếu khoảng dịch chuyển nhỏ hơn ĐPGĐK thì bộ điều khiển không thể nhận biết đ−ợc và ta sẽ mắc một sai số điều khiển. ĐPGĐK phụ thuộc nhiều yếu tố, nh− năng lực xử lý (số bit) của bộ NC, bộ điều khiển truyền động (ví dụ số b−ớc/vòng của động cơ b−ớc), độ phân giải của hệ thống đo (ví dụ số xung phát ra trong 1 vòng quay của encoder). Với một hệ phức hợp, ĐPGĐK sẽ là ĐPG thấp nhất của các yếu tố thành phần. Để làm ví dụ, ta lấy tr−ờng hợp số bit của NC là yếu tố quyết định. Nếu gọi n là số bit của mỗi trục thì số khoảng chia (số điểm điều khiển) trên trục sẽ là Số điểm điều khiển = n2 ĐPGĐK là khoảng cách giữa 2 điểm điều khiển kề nhau: n2 chuyển dịch ngKhoả KPGĐĐ = Do nhiều yếu tố (sai số điều khiển, các sai số cơ khí, nh− khe hở truyền động, biến dạng của hệ thống cơ khí,...) nên khi gia công luôn luôn mắc phải sai số định vị (Positioning Error), nghĩa là không bao giờ chúng ta có thể định vị chính xác tuyệt đối bàn máy tại một vị trí xác định. ĐCXĐV đồng nghĩa với sai số định vị, nói lên khả năng định vị chính xác bàn máy tới một vị trí (toạ độ) xác định. Trong tr−ờng hợp xấu nhất, điểm cần đến D nằm chính giữa hai điểm điều khiển kề nhau P1 và P2 (hình 1. 2). Giả thiết sai số cơ khí tuận theo luật phân bố chuẩn, khi đó tuyệt đại đa số giá trị đo (99,74%) nằm trong khoảng ±3σ (σ là ph−ơng sai). ĐCXĐV đ−ợc tính theo công thức: σ3+= 2 KPGĐĐ VCXĐĐ Độ chính xác lặp lại (ĐCXLL) là khả năng điều khiển bàn máy lặp lại nhiều lần đúng vị trí xác định đã đ−ợc lập trình. Nó nói lên khả năng đạt giá trị kích th−ớc một cách ổn định trong một loạt chi tiết gia công. Nguyên nhân của sai số lặp lại là các sai số cơ khí nh− đã nhắc đến ở trên. Khi các kích th−ớc gia công tuân theo luật phân bố chuẩn thì tuyệt đại đa số kích th−ớc nằm trong vùng ±3σ. Vì vậy có thể định nghĩa ĐCXLL nh− sau: ĐCXLL = ±3σ , hay ĐCXLL = 6σ. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 29 Hình 1. 23: Biểu diễn ĐCXĐV và ĐCXLL của máy NC Định nghĩa về ĐPGĐK, ĐCXĐV, ĐCXLL đ−ợc minh hoạ trong hình 1. 23. Ví dụ, một bộ NC điều khiển máy tiện theo 2 trục với số bit là 16 (gọi là bộ điều khiển 16 bit). Khoảng dịch chuyển của trục Z là 800 mm, trục X là 300 mm. Sai số cơ khí tuân theo luật phân bố chuẩn với ph−ơng sai σ = 0.0075 mm. Ta thử tính ĐPGĐK, ĐCXĐV và ĐCXLL của hệ thống. Ta sẽ giải bài toán trên cho bộ điều khiển 8 bit và 32 bit để so sánh kết quả. Vì 2 trục có khoảng dịch chuyển khác nhau nên phải xác định ĐPGĐK và ĐCXĐV cho từng trục. Ta có thể lập một bảng tính Excel nh− sau để tính luôn cho cả 3 tr−ờng hợp: bộ điều khiển 8, 16 và 32 bit. Sigma = 0.0075 n = 8 16 32 Số điểm ĐK 2n = 256 65 536 4 294 967 296 Cả 2 trục 3*sigma = 0.0225 ĐCXLL = 6*sigma = 0.0450 Trục Z Khoảng dịch Z 800 ĐPGĐK (mm) Z/2n 3.125 0.0122 0.000000186 ĐCXĐV (mm) ĐPGĐK/2 + 3*sigma 1.585 0.0286 0.022500093 Trục X Khoảng dịch X 300 ĐPGĐK (mm) X/2n 1.172 0.0046 0.000000070 ĐCXĐV (mm) ĐPGĐK/2 + 3*sigma 0.608 0.0248 0.022500035 Từ ví dụ trên, ta rút ra kết luận: - Độ chính xác lặp lại không liên quan gì đến bộ điều khiển mà do chất l−ợng phần cơ khí (độ chính xác, khe hở, độ cứng vững, ổn định,...) quyết định. - Năng lực của máy tính (số bit) càng lớn thì độ chính xác định vị càng cao. Các bộ điều khiển mới dùng máy tính 32 bit nên có thể đạt độ chính xác định vị rất cao. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 30 - Khi ĐPGĐK thấp thì sai số định vị phụ thuộc nhiều vào sai số điều khiển. Khi nâng cao ĐPGĐK thì sai số cơ khí chiếm vị trí quan trọng. - Với cùng một bộ điều khiển, muốn tăng khoảng dịch chuyển (khoảng điều khiển) của bàn máy thì phải hy sinh độ chính xác định vị. Tính linh hoạt cao Máy CNC hơn hẳn máy thông th−ờng ở tính linh hoạt. Điều đó biểu hiện ở hai khía cạnh. Thứ nhất, trên một máy CNC có thể thực hiện nhiều chức năng công nghệ khác nhau và việc chuyển đổi giữa các chức năng rất dễ dàng. Ví dụ, trên máy phay CNC có thể thực hiện các nguyên công khoan, khoét, doa, gia công mặt phẳng, định hình, răng, ren, gia công các rãnh, hốc phức tạp nh− hốc tròn, chữ nhật, elip,... Các mặt cong không gian, nh− mặt cầu, mặt xoắn ốc,... cũng có thể gia công trên máy phay 3 trục. Các máy phay 4-5 trục cải thiện đáng kể năng suất và chất l−ợng gia công và có thể gia công các sản phẩm nghệ thuật, nh− tạc t−ợng. Máy tiện CNC, ngoài các chức năng nh− máy th−ờng, có thể gia công ren với b−ớc thay đổi, ren trên mặt côn. Điều quan trọng là các mặt cong định hình có thể gia công trên máy CNC một cách dễ dàng, dùng đồ gá và dao thông th−ờng chứ không cần đồ gá và dao chuyên dùng. Trên các trung tâm gia công có thể thực hiện các công việc phay, khoan, doa, tiện, mài,... đồng thời. Chính vì vậy mà máy CNC có khả năng tập trung nguyên công cao để gia công các chi tiết phức tạp. Biểu hiện thứ hai của tính linh hoạt là việc thay đổi đối t−ợng gia công trên máy CNC rất dễ dàng, gần nh− chỉ thay đổi ch−ơng trình chứ không cần thay đồ gá, dao cụ phiền phức nh− trên máy thông th−ờng. Nhờ có khả năng thích ứng linh hoạt với đối t−ợng gia công mà máy CNC là thiết bị cơ bản của các hệ thống sản xuất linh hoạt. Nhờ tính linh hoạt cao của mình mà máy CNC đ−ợc sử dụng phổ biến không chỉ trên các dây chuyền, trong các tế bào sản xuất tự động mà còn đ−ợc sử dụng riêng lẻ trong loại hình sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, thậm chí cả chế thử. Chi phí gia công giảm Chi phí gia công một loạt N chi tiết có thể đ−ợc biểu diễn qua công thức sau: C = Ccb + Ctx(1 + p)N trong đó, C - chi phí tổng cộng; Ccb - chi phí cơ bản, gồm khấu hao thiết bị, nhà x−ởng; Ctx - chi phí th−ờng xuyên cho một chi tiết gồm l−ơng công nhân, nguyên vật liệu, năng l−ợng chạy máy,...; p - tỷ lệ phế phẩm trung bình; N - số l−ợng chi tiết trong loạt. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 31 Máy CNC có năng suất cao, không đòi hỏi công nhân bậc cao, ít sinh phế phẩm nên cho phép giảm chi phí th−ờng xuyên. Tuy nhiên, chi phí mua sắm, bảo trì, lập trình, đảm bảo môi tr−ờng cho máy CNC lớn hơn nhiều lần so với máy thông th−ờng. Ng−ợc lại, máy chi phí ban đầu để mua sắm máy thông th−ờng nhỏ hơn nh−ng chi phí th−ờng xuyên lớn hơn. Vì vậy, theo hình 1.24, nếu sản l−ợng N>N0 thì nên dùng máy CNC (vì có chi phí tổng cộng nhỏ hơn). Hình 1. 24: Lựa chọn ph−ơng án đầu t− 1.5.2. Các nh−ợc điểm của CNC Máy CNC có nhiều −u điểm và đ−ợc sử dụng ngày càng rộng rãi. Tuy nhiên, chúng cũng có những nh−ợc điểm cần quan tâm khi chọn, mua sắm và sử dụng chúng. - Máy CNC, đặc biệt là các trung tâm gia công rất đắt tiền. Giá của chúng từ vài chục ngàn đến hàng triệu đô la Mỹ, gấp từ 5 đến hàng chục lần giá máy thông th−ờng cùng cỡ. - Máy CNC là thiết bị công nghệ cao, có hệ thống cơ khí chính xác và hệ thống điều khiển, đo l−ờng tinh vi, phức tạp. Để bảo đảm độ chính xác, chúng cần điều kiện bảo quản và làm việc khắt khe. Các yêu cầu về dụng cụ, vật t− bảo quản, bảo d−ỡng máy CNC cũng cao và tốn kém hơn máy th−ờng. - Máy CNC đòi hỏi đội ngũ cán bộ kỹ thuật đ−ợc đào tạo chuyên sâu. Máy CNC tuy không đòi hỏi ng−ời vận hành có thay nghề cao nh−ng lại đòi hỏi một đội ngũ cán bộ kỹ thuật đồng bộ và đ−ợc đào tạo chuyên sâu. Lập trình viên phải có kiến thức vững về công nghệ gia công cơ khí, hiểu biết về cấu hình máy, thành thạo ngôn ngữ và công cụ lập trình (CAD/CAM). Thợ vận hành phải nắm chắc kết cấu, tính năng, chế độ vận hành máy, chế độ bảo quản bảo d−ỡng và khắc phục các sự cố thông th−ờng; đồng thời có khả năng lập trình cơ bản. Cán bộ kỹ thuật bảo trì, sửa chữa cần hiểu biết sâu kết cấu chung và kết cấu từng hệ thống của máy; có khả năng chẩn đoán tình trạng hoạt động và phân tích, khắc phục sự cố của máy. Trong nhiều tr−ờng hợp, cần liên hệ với nhà sản xuất để nhận trợ Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 32 giúp kỹ thuật. Nói chung, đội ngũ cán bộ kỹ thuật làm việc với máy CNC gồm các kỹ s− cơ điện tử, đ−ợc đào tạo chuyên sâu về lập trình, vận hành, bảo trì, sửa chữa các hệ thống sản xuất tự động hoá. - Máy CNC là máy có cấu hình cứng (Fixed Configuraton, Non-Configurable Machine Tools), chỉ có nhà sản xuất mới thay đổi đ−ợc. Nhà sản xuất luôn luôn đ−a ra các cấu hình tuy chọn (Options) hấp dẫn (độ chính xác cao, nhiều trục điều khiển, tốc độ gia công cao, nhiều chức năng tự động hoá,...). Ng−ời mua máy nếu không xuất phát từ nhu cầu và trình độ sử dụng thực tế thì sẽ bỏ tiền ra mua các máy đắt tiền với đầy đủ chức năng nh−ng có nhiều chức năng thừa, rất ít dùng, dẫn đến sự lãng phí lớn. - Về bản chất, CNC là điều khiển cứng. Máy CNC làm việc theo ch−ơng trình, nghĩa là mọi hoạt động của nó tuân theo đúng trình tự và chế độ công nghệ quy định sẵn trong ch−ơng trình (xem lại mục 1.1). Bộ điều khiển không thể nhận biết đ−ợc và không thể phản ứng tr−ớc những biến động trong quá trình công nghệ (sự biến động về kích th−ớc, cơ tính vật liệu phôi; sự thay đổi khả năng cắt của dao;...) nên các chế độ công nghệ ghi trong ch−ơng trình mang tính dự phòng cao. Điều đó khiến trong phần lớn thời gian, máy làm việc d−ới khả năng. Điều đó dẫn đến sự lãng phí về năng suất gia công. 1.6. H−ớng sử dụng và phát triển máy CNC Trong phần trên, chúng ta đã phân tích các −u, nh−ợc điểm của máy CNC thông th−ờng. Để phát huy −u điểm, khắc phục những nh−ợc điểm của máy CNC cần tìm ra và áp dụng các giải pháp về kết cấu, điều khiển và sử dụng chúng. Sau đây chúng ta sẽ phân tích một số giải pháp quan trọng nhất. 1.6.1. Lựa chọn và sử dụng hợp lý máy CNC Khi lựa chọn và sử dụng máy CNC cần phải trả lời 2 câu hỏi quan trọng: Dùng máy vạn năng hay máy CNC? Xu thế hiện nay là giá trị phần cứng của bộ điều khiển giảm rất nhanh, trong khi giá trị phần cơ khí và phần mềm lại tăng. Vì vậy các máy CNC cỡ trung bình, bộ điều khiển contour đơn giản trên cơ sở PC (PC Based CNC) không đắt hơn nhiều so với máy vạn năng. Nhờ trợ giúp của công nghệ CAD/CAM, máy đo hoặc đầu dò 3 chiều,... việc thiết kế và chuẩn bị ch−ơng trình cho máy CNC trở nên đơn giản. Máy CNC ngày càng đ−ợc sử dụng phổ biến và dần dần thay thế máy vạn năng cả trong gia công thông th−ờng. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 33 Hình 1.25 biểu diễn khu vực sử dụng hiệu quả của máy thông th−ờng và máy CNC. Theo đó, máy vạn năng thông th−ờng giá rẻ nh−ng độ chính xác thấp đ−ợc dùng chủ yếu trong sản xuất đơn chiếc loạt nhỏ các chi tiết có độ phức tạp và độ chính xác thấp (vùng I). Khi yêu cầu độ phức tạp và độ chính xác cao thì máy CNC phù hợp hơn. Trong điều kiện đó, máy CNC vẫn cho hiệu quả kinh tế cao cả khi sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ và chế thử, thậm chí sản xuất theo yêu cầu đặc biệt. Hình 1. 25: Vùng hiệu quả kinh tế của máy thông th−ờng (I) và của máy CNC (II) I II Sản l−ợng Độ phức tạp và độ chính xác của chi tiết Cùng với các yếu tố công nghệ đã nói trên, hiệu quả kinh tế cần đ−ợc tính toán, cân nhắc khi thay thế máy vạn năng bằng máy CNC. Dùng máy CNC với cấu hình nào? Các máy và trung tâm gia công CNC khác nhau rất nhiều về cấu hình, tính năng và tất nhiên là giá cả và các chi phí sử dụng. Vì vậy, chọn máy cho phù hợp với nhu cầu sử dụng cũng là bài toán kỹ thuật và kinh tế. Các máy CNC cỡ vừa, cấu hình thấp (ví dụ máy phay 3 trục, máy tiện 2 trục) th−ờng đ−ợc sử dụng tại các x−ởng máy với các chức năng gia công thông th−ờng. Các trung tâm gia công có thể dùng tại các x−ởng chế thử với các chi tiết phức tạp nh−ng số l−ợng ít. Trừ dây chuyền cứng (hàng khối), các máy và trung tâm gia công CNC đ−ợc ứng dụng trong mọi loại hình sản xuất (hình 1.26). Tuy nhiên, cấu hình của máy và trung tâm gia công cần thay đổi tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 34 Hình 1. 26: Phạm vi ứng dụng máy và trung tâm gia công CNC Khi sản l−ợng thấp, sản phẩm thay đổi th−ờng xuyên thì các máy hoặc trung tâm CNC đơn lẻ đ−ợc sử dụng. Trên các máy này, các chức năng chính đ−ợc −u tiên tự động hoá. Một số chức năng phụ trợ, nh− cấp phôi tự động, giao tiếp với robot, băng tải,... không cần thiết. Khi sản l−ợng cao hơn, chúng đ−ợc ghép vào các tế bào, hệ thống, dây chuyền sản xuất linh hoạt. Hình 1. 27: Tính kinh tế của việc sử dụng CNC Trên các hệ thống đó, các thiết bị gia công đ−ợc chuyên môn hoá ở mức độ cao hơn nên chuyển động cắt gọt không nhất thiết phải phức tạp (ví dụ dải tốc độ trục chính có thể Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 35 hẹp hơn, số trục chạy dao không nhất thiết phải nhiều). Nh−ng cùng làm việc với máy CNC còn có các robot, băng tải, máy đo toạ độ, thiết bị l−u trữ,... Do đó, các máy CNC phải có giao diện phù hợp. Để giảm sự can thiệp của con ng−ời (khi hệ thống làm việc nhiều ca, kể cả ban đêm, ngày nghỉ không có ng−ời giám sát và phục vụ), các hệ thống phụ trợ và phục vụ và giám sát (cấp phôi, cấp dao, đo dao, tải chi tiết, tải phoi,...) cần đ−ợc tự động hoá. Hình 1.27 cho phép so sánh hiệu quả kinh tế của các loại hình sản xuất có sử dụng CNC. Máy CNC đơn lẻ có thể sử dụng khi sản l−ợng rất thấp nh−ng năng suất của chúng không cao, chi phí sản xuất (tính cho 1 chi tiết) lớn. Trong các tế bào hoặc các dây chuyền sản xuất linh hoạt, máy đ−ợc chuyên môn hoá, có hệ thống phục vụ đầy đủ, có năng suất cao, do đó chi phí sản xuất thấp hơn. 1.6.2. Điều khiển thích nghi máy CNC Khái niệm về điều khiển thích nghi máy công cụ Nh− đã nói ở mục 1.5.2, CNC là bộ điều khiển cứng, làm việc theo ch−ơng trình lập tr−ớc. Nhiệm vụ của CNC là điều khiển máy công cụ thực hiện quá trình và duy trì chế độ gia công theo đúng ch−ơng trình. Trên thực tế, quá trình công nghệ thực luôn có biến động không biết tr−ớc và không theo quy luật nào nhất định. Ví dụ, sự thay đổi của chiều dày và bề rộng cắt; cơ tính vật liệu; khả năng cắt của dụng cụ; rung động của hệ thống; độ cứng vững thực tế của phôi, dao,... Nh− đã chỉ ra trong hình 1.5, quá trình công nghệ nằm ngoài vòng điều khiển của CNC nên nó không nhận biết và xử lý đ−ợc. Để đảm bảo chất l−ợng gia công và an toàn của hệ thống, trong công nghệ truyền thống, chế độ cắt đ−ợc xác định theo nguyên tắc phòng ngừa, nghĩa là theo điều kiện khó khăn, nặng nề nhất. Trên thực tế, điều kiện đó chỉ là giả định hoặc xảy ra trong khoảnh khắc. Tromg phần lớn thời gian, máy làm việc d−ới khả năng, với năng suất thấp, chi phí cao. Máy CNC không nằm ngoài tình trạng đó. Nh− trên hình 1.28 l−ợng chạy dao trên máy CNC (FCNC) đ−ợc xác định sao cho khi cắt với chiều sâu cắt lớn nhất (Hmax) dao không bị mẻ. Trong suốt quá trình gia công, tuy chiều sâu cắt thực nhỏ hơn FCNC rất nhiều nh−ng hệ điều khiển vẫn duy trì giá trị đó. Hình 1. 28: Chế độ cắt trên máy CNC Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 36 Nếu bằng cách nào đó, bộ điều khiển hiệu chỉnh đ−ợc l−ợng chạy dao FAC theo chiều sâu cắt thực thì năng suất sẽ tăng lên rất nhiều. Hệ điều khiển có khả năng giám sát theo thời gian thực các biến động của môi tr−ờng và tự hiệu chỉnh chế độ làm việc sao cho đạt đ−ợc tốt nhất mục tiêu điều khiển đ−ợc gọi là điều khiển thích nghi (Adaptve Control - AC). Trong tr−ờng hợp trên, có thể thiết kế bộ AC với nhiệm vụ giám sát (trực tiếp hay gián tiếp) chiều sâu cắt và tự động hiệu chỉnh l−ợng chạy dao FAC, duy trì giá trị lực cắt không v−ợt quá ng−ỡng nào đó (ví dụ, không gãy dao). Nh− vậy, khác với công nghệ CNC truyền thống (thiết lập chế độ công nghệ tr−ớc khi gia công (Off-line), theo nguyên tắc phòng ngừa, bị động), AC là giải pháp tích cực, thông minh và hiệu chỉnh chế độ công nghệ ngay trong khi gia công (On-line). AC không phải ý t−ởng mới. Bộ AC đầu tiên đ−ợc thực hiện tại Bendix Research Liboratories vào khoảng năm 1962-1964, d−ới sự bảo trợ của Không lực Mỹ. Vào khoảng thời gian đó, hãng Cincinnati Milacron cũng xây dựng một hệ t−ơng tự. Cả hai nơi đều nhận ra rằng không thể tạo ra một hệ thống có khả năng đo trực tuyến chỉ tiêu hiệu quả (Performance Index - PI) của quá trình. Mặt khác các hệ AC này đều quá đắt để có thể ứng dụng trong công nghiệp. Sau đó, hàng loạt công trình nghiên cứu đ−ợc tiến hành để tìm ra giải pháp khả thi về kỹ thuật. Các hệ AC cho máy công cụ đ−ợc phân làm 3 loại: - Hệ bù hình học thích nghi (Geometric Adaptive Compensation - GAC) nhằm nâng cao độ chính xác gia công bằng cách giám sát và bù trực tuyến sai số hình học do sự biến động của nhiệt độ vùng cắt, do sai số hình học của máy, do mòn dao,... Tuy nhiên, do khó khăn trong việc đo trực tuyến l−ợng mòn dao và nhiệt độ vùng cắt nên cho đến nay ch−a có bộ GAC nào đ−ợc ứng dụng thực tế [11]. - Hệ điều khiển thích nghi tối −u (Adaptive Control Optimization - ACO) nhằm hiệu chỉnh chế độ cắt để đạt đ−ợc chỉ tiêu tối −u nhất định, ví dụ năng suất cắt cao nhất hay chi phí gia công nhỏ nhất. ACO cũng gặp phải khó khăn t−ơng tự nh− GAC, không có thiết bị đo trực tuyến mòn dao và nhiệt độ vùng cắt. - Hệ điều khiển thích nghi theo trạng thái giới hạn (Adaptive Control with Constraints - ACC), th−ờng là đảm bảo lực cắt không v−ợt quá giới hạn cho phép. Hiện nay đây là h−ớng khả thi nhất cho AC máy công cụ. Một số hệ điều khiển thích nghi hiện có Trong số nhiều hệ ĐKTN đ−ợc nghiên cứu trên thế giới thì đã có một số hệ ACO, nh−ng nhiều nhất là các hệ ACC. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 37 Năm 2002, tại Bộ môn Máy tự động và robot, Học viện KTQS, một bộ ACC đã đ−ợc xây dựng (hình 1.29). Hệ gồm có: - Một máy phay CNC (phần trên) với bộ điều khiển TNC360 của hãng Heidenhain (CHLB Đức). Đó là máy phay đứng, 3 trục. Cả 3 trục chạy dao (X, Y, Z) dùng các hệ điều khiển động cơ servo, có phản hồi vị trí bằng th−ớc quang. - Sensor đo lực đ−ợc dùng là hệ thống đo lực cắt 3 thành phần kiểu 9257BA hoặc kiểu 9602 do hãng Kistler (Thụy sĩ) sản xuất. Nhiệm vụ của nó là đo On-line giá trị lực cắt, chuyển thành tín hiệu điện áp để cung cấp cho ACC. - Chức năng AC đ−ợc thực hiện nhờ một PC, có cắm Card thu nhận và xử lý tín hiệu (Data Acquisition - DA) kiểu PCL-812 PG do hãng Advantech (Đài loan) sản xuất và phần mềm trợ giúp thiết kế các modul thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển DASYLab của hãng DASYTECđ (Đức). Nhiệm vụ của cụm này là nhận tín hiệu cắt P, chuyển đổi A/D, tính toán, so sánh với giá trị đặt (ng−ỡng Pmax) và tiến hành hiệu chỉnh l−ợng chạy dao F theo luật xác định để duy trì quan hệ P≤Pmax. Các chức năng suy luận logic và ra quyết định điều khiển nói trên đ−ợc thực hiện bởi một khối các modul logic và một modul PID. Tín hiệu ra của ACC cũng d−ới dạng điện áp, đ−ợc đ−a trực tiếp vào bộ nội suy của CNC (phần d−ới). Hình 1. 29: Sơ đồ ACC tại Học viện Kỹ thuật quân sự Trên hình 1.30 là sơ đồ nối ghép thiết bị phần cứng, hình 1.31 là ảnh mặt máy của bộ ACC đ−ợc thiết kế. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 38 Hình 1. 30: Sơ đồ nối ghép thiết bị của ACC Hình 1. 31: Hình ảnh mặt máy của bộ ACC Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 39 Theo tài liệu công bố năm 2008 [10] thì các hệ t−ơng tự đã đ−ợc thực hiện và th−ơng mại hoá bởi hãng Omative (Ixrael). Hệ có tên gọi là ACM (Adaptive Control & Monitoring), có chức năng giám sát, hiệu chỉnh on-line tốc độ trục chính và l−ợng chạy dao để duy trì lực cắt d−ới giới hạn cho phép (hình 1.32). (a) (b) Hình 1. 32: Chế độ ACC của hệ ACM Để thực hiện chức năng tối −u hoá chế độ cắt trong khi ch−a giải quyết đ−ợc vấn đề đo trực tuyến các thông số công nghệ, F. Cus và các cộng sự tại khoa Cơ khí, ĐHTH Maribor (Slovenia) đã kết hợp chức năng tối −u hoá off-line với bộ ACC để hiệu chỉnh on- line l−ợng chạy dao theo điều kiện lực cắt giới hạn (hình 1.33). Hệ có 2 modul: - Modul tối −u hoá chế độ cắt (l−ợng chạy dao) dựa trên hệ suy luận mờ thích nghi (Adaptive Neuro-fuzzy Inference System - ANfis). Modul này cung cấp giá trị chế độ cắt tối −u cho bộ CNC. - Modul ACC nhận tín hiệu từ bộ đo lực cắt, tính toán l−ợng hiệu chỉnh chế độ cắt (l−ợng chạy dao) và chuyển tín hiệu tới bộ CNC để thực hiện quá trình hiệu chỉnh on-line thông số này. L−ợng chạy dao đ−ợc hiệu chỉnh bằng cách nhân giá trị Feedrate Override Percentage (DNCFRO) với l−ợng chạy dao trong ch−ơng trình. Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 40 Hình 1. 33: Hệ điều khiển thích nghi với chức năng TƯH chế độ cắt 1.6.3. Máy có cấu hình thay đổi đ−ợc Chúng ta đã nói rất nhiều đến −u điểm và sự phát triển nhanh chóng của máy CNC và các hệ thống sản xuất dùng CNC. Trên bình diện chung, các thiết bị và hệ thống sản xuất linh hoạt đã và đang thay thế dần các máy vạn năng, các dây chuyền cứng. Vậy thì phải chăng đã đến lúc nói về sự cáo chung của các máy vạn năng và các dây chuyền cứng? FMS có phải dạng sản xuất hiệu quả nhất hiện nay và trong t−ơng lai không? Liệu rồi đây có dạng sản xuất nào thay thế chúng không. Chúng ta sẽ trả lời "không" cho tất cả các câu hỏi trên, vì sao vậy? - Nhờ có năng suất cao, chất l−ợng sản phẩm ổn định, tổ chức và điều hành sản xuất đơn giản,... dây chuyền cứng (Dedicated Manufacturing Line - DML) có −u thế v−ợt trội trong điều kiện sản xuất với sản l−ợng rất lớn, chủng loại sản phẩm ít và ổn định nhiều năm. Nhờ chuyên môn hoá sản xuất, ng−ời ta có điều kiện sử dụng các thiết bị chuyên dùng, trình độ tự động hoá cao và công nhân cũng đ−ợc chuyên môn hoá để thực hiện thành thục các thao tác đ−ợc đơn giản hoá tối đa. Thiết bị rẻ tiền, giá công nhân rẻ, tiết kiệm nguyên vật liệu và năng l−ợng, sản l−ợng lớn, khấu hao và hoàn vốn nhanh là những tiền đề cơ bản tạo ra lợi nhuận cao cho nhà sản xuất khi sử dụng dây chuyền cứng. Ngày nay, dây chuyền cứng vẫn đ−ợc ứng dụng khi có thể, ví dụ trong sản xuất hàng tiêu dùng sản l−ợng lớn (giày dép, quần áo, mỹ phẩm, thực phẩm,...). Trong cơ khí vẫn có nhiều doanh nghiệp ứng dụng loại hình sản xuất này, ví dụ sản xuất các loại đạn cỡ nhỏ cho vũ Ch−ơng 1: Nhập môn điều khiến số máy công cụ 41 khí bộ binh. Ngay cả khi không có điều kiện ứng dụng dây chuyền cứng thì một số nguyên tắc công nghệ và tổ chức của dây chuyền cứng vẫn đ−ợc áp dụng cho các dạng sản xuất khác. - Sản xuất linh hoạt sử dụng các máy và trung tâm gia công CNC có tính vạn năng cao. Bên cạnh những −u điểm về tính linh hoạt, dạng sản xuất này có những nh−ợc điểm cơ bản: thiết bị đắt tiền, năng suất không cao (so với máy chuyên dùng), sử dụng khó khăn và chi phí vận hành cao. Bẳng sau tóm tắt các −u, nh−ợc điểm của dây chuyền cứng và FMS. So sánh −u, nh−ợc điểm của dây chuyền cứng với hệ thống sản xuất linh hoạt Dây chuyền cứng HT sản xuất linh hoạt Giá thành sản xuất Hạ Cao Nă